湿热环境下A-IX-II炸药装药的老化性能

贾 林，张林军，张冬梅，杜娇娇，王克勇



湿热环境下A-IX-II炸药装药的老化性能

贾 林，张林军，张冬梅，杜娇娇，王克勇

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

在71℃65%RH的湿热环境下，对A-IX-II炸药压装药柱（Ф20mm×20mm）进行了52d老化实验，并对其体积、质量、密度、黏结剂、抗压强度进行了检测。结果表明：随着老化时间的延长，体积、密度和质量发生变化， 52d时变化率分别为+2.0%、-2.0%和-0.09%，但药柱结构完整性没有被破坏；老化7d后黏结剂破碎，RDX和Al脱粘，导致抗压强度下降，力学性能是主要失效模式；抗压强度与老化时间有指数关系，以抗压强度下降20%为失效判据，按温度系数法预测常温25℃和20℃下65%RH环境中，A-IX-II药柱的使用寿命分别为24.2a和41.9a。

炸药装药；湿热环境；老化性能；黏结剂；失效模式

为了适应现代战争发展需求，要求常规武器用炸药具有较好的环境适应性，然而如何评价炸药的环境适应性，国内尚没有系统的评价方法和标准。GJB 150A-2009 军用设备环境试验方法是环境试验军用顶层标准，由于兼顾通用性和指导性等原因，并未对炸药的环境试验的种类、应力水平和检测项目做出明确的规定，炸药的环境适应性项目一般由使用方单独在研制合同中提出。

火炸药是具有高度活性的各种化学组分的混合体系，在长期贮存中极易受温度、湿度等环境因素的影响，其性能会逐渐变坏。目前炸药装药仍主要集中于温度单应力的研究[1-3]，而在湿热双应力方面的研究内容较少，仅有的研究也主要偏重于吸湿性[4]、密度和压缩性能[5]。而长期贮存环境的湿热双应力肯定会协同作用影响炸药装药的材料性能和结构强度，进而影响武器弹药的实际应用，因此需要深入探究炸药装药性能和结构对湿热环境的响应规律。

A-IX-II是典型含Al炸药，在国内压装炸药中应用较为广泛[6]，但对于A-IX-II装药的湿热双应力下的失效模式和失效机理研究却鲜有报道。本研究在湿热环境下对A-IX-II药柱进行老化，检测了药柱的微观结构、体积、质量、密度、黏结剂、抗压强度，研究湿热环境条件下A-IX-II炸药装药老化性能及失效模式，对其常温65% RH的环境下长期贮存的使用寿命进行了预测。

1 实验部分

1.1 样品

A-IX-II炸药，配方为76%RDX、20%Al粉和4%黏结剂，采用黏结剂将RDX包覆，与Al粉外混，再压装成密度为1.7g·cm-3的24个Ф20 mm×20mm药柱，对其进行湿热老化实验。其中药柱尺寸、质量的测量采用样品A-1、A-2、A-3；渗出物测试通过在样品药柱下方放置一张滤纸进行，采用样品为S-1、S-2、S-3。其余药柱记为K，平均分成6组分别老化0d、7d、16d、40d、52d，进行抗压强度检测。

1.2 老化试验条件的选择

目前，国内外还未有炸药温湿度老化试验的标准。依据国军标GJB 150.3A-2009军用装备实验室环境试验方法第3部分：高温试验可知，“诱发条件”（即装备在贮存或运输状态下可能暴露于其中的由日晒而加剧的空气温度条件）中最高温度是“71℃”，由于一些组分与A-IX-II相似的炸药药柱老化温度也是“71℃”[7-8]，所以本研究老化试验的温度设定为71℃。湿度应力的选择依据是GJB 5103-2004弹药元件加速寿命试验方法中6.2.2相对湿度应力水平：“相对湿度应力水平按弹药在正常贮存环境中的相对湿度确定，一般为65%（RH）”。

1.3 主要仪器设备

广州Espec公司ER-10型恒温恒湿试验箱；美国FEI Quanta公司600FEG型场发射扫描电镜仪（SEM）；Moscow BT-400型电子计算机X线断层摄影仪（CT）；美国INSTRON公司万能材料试验机；瑞士METTERLER TOLEDO公司AL204电子天平（精度为0.000 1g ）；青海量具刃具公司电子外径千分尺（精度为0.001mm）。

2 结果与讨论

2.1 湿热环境对药柱尺寸、质量、密度的影响

采用千分尺对老化前后药柱进行测量，其中药柱径向尺寸记为（图1中3个黑点位置径向尺寸平均值）、轴向尺寸记为（图1中4个灰点位置轴向尺寸平均值），体积记为（由和求得）。计算3个药柱、和的平均变化率，记为，见图2。

图1 检测A-1药柱的h、Ф

图2 药柱的V、h、Ф、m、ρ变化率Δ——t曲线

从图2可以看出，、、随着老化时间的延长，出现先增后减的趋势。老化0~7d，、、明显增加，7d后速度变慢，12d时药柱的、、变化率分别为+1.1%、+0.6%、+2.3%，而后随着的增加，稍有降低，到52d时分别稳定在+1.0%、+0.5%、+2.0%，即老化后药柱产生了不可逆膨胀。这主要是由以下原因造成的：（1）在药柱压装成型过程中内部产生的一些微损伤和成型过程中产生的残余应力，老化后出现一定程度的扩张，使药柱原有的微孔隙扩大；（2）Al与H2O反应生成H2[6]使得药柱中出现新的空隙；（3）黏结剂受热液化聚集，向药柱表面迁移，部分气化产生压力，可能产生新的空隙或使原空隙扩大。

用CT检测A-1药柱内部和外表，见图3，可以看出药柱表面和内部在老化前后均无裂纹，说明虽然药柱体积不可逆长大了2.0%，但药柱的完整性没有被迫坏。对老化前后药柱测量，得到质量，计算3个药柱的平均变化率，记为，结果见图2。

图3 A-1药柱老化0d、52d的CT图片

由图2可以看出，随着的延长，出现先增后减的趋势，老化7d时的平均变化率为+0.01%，12d时为-0.01%，52d时为-0.09%。这是两个因素造成的：一是老化后的药柱为多孔固体，这些孔洞是一系列不同半径的毛细管，因毛细凝结而充满液体H2O[9]，从烘箱中取出冷却到室温，外部孔洞遇冷收缩，药柱内部的H2O难以完全排出；二是黏结剂受热液化，向药柱表面迁移，缓慢渗出药柱，部分挥发。开始时第1因素占主要地位，导致药柱增加，老化一定时间后，药柱吸湿量趋于饱和，此时第2因素的作用相对突显出来，药柱减少，但是总的来说质量变化很小。因为几乎不变，而明显变大，所以下降，52d时为-2.0%（见图2）。

2.2 湿热环境对黏结剂的影响

黏结剂由地蜡、硬脂酸和少量苏丹红组成，渗出物试验中滤纸上的桔红色为苏丹红的颜色，见图4。

图4 K药柱、S药柱及油性渗出物

对滤纸和药柱的质量进行测量，分别计算质量变化Δ，数据见表1。由表1可知，滤纸增重远小于药柱质量损失，说明黏结剂中的部分地蜡和硬脂酸在该湿热条件下挥发[1]，从而验证2.1中的推测（黏结剂在药柱中部分气化，产生的压力使药柱产生新的空隙）。

表1 药柱渗出物试验数据

Tab.1 Data of exudation test

比较图4（a）中老化前后的K药柱，可以看出老化后的药柱表面颜色稍暗，这是由于黏结剂迁移渗出药柱表面所致。

对老化0d和7d的两个K药柱用SEM观察药柱内部自然断面，见图5，图5中浅色物质为黏结剂，大体积深色物质为RDX，小体积深色物质为Al粉。可以看出老化0d的药柱中黏结剂是规则片状的，但老化7d后的药柱中黏结剂明显变成边界圆滑的更小尺寸的碎屑。这是由于药柱受热后产生较多孔隙，水分子进入富集成为液体，很快填充药柱中的空隙。根据“油膜卷缩机理”[9]，黏结剂有成为“油滴”而脱离RDX固面的趋势，而脱离的黏结剂液滴有自发呈球形的趋势。另外Al与H2O反应产生的H2对片状黏结剂也有一定的破坏作用。再加上黏结剂受热迁移、挥发损失，使得湿热老化7d后，药柱中的黏结剂破碎，RDX和Al脱粘。

图5 老化0d、7d 药柱内部SEM照片

2.3 湿热环境对抗压强度的影响

抗压强度是含铝压装炸药装药的一项重要指标[10]，本文使用“压缩法”检测老化药柱的[11]，测试温度为(20±5)℃，检测结果见图6。

图6 药柱的抗压强度随老化时间的变化

由图6可以看出，随老化时间的延长逐渐变小，老化7d时下降了14.9%，52d时下降了24.1%。综合分析，黏结剂的变化是导致下降的直接原因，力学性能是药柱主要失效模式。

通常有指数、对数、线性3个数学模型描述力学性能参数与的关系，对图6中——数据进行处理[12]，从相关系数、置信度可以确定与有指数关系，得到指数模型，见表2：

=0e(T)t（1）

式（1）中：为抗压强度；为老化温度；为温度时的老化时间；()为温度时的变化速率；0为初始抗压强度。

表2——数据处理

Tab.2 Data-processing of σ——t

由表2中ln=-0.003 96+2.019可得，在71℃、65% RH时，(71)=-3.96×10-3(d-1)。

如果认为下降20%（即σ/0=0.80，其中σ为寿命临界值）为失效判据，71℃时式（1）变为0.80= e-0.003 96t，可知71℃、65% RH时，为56.35d时药柱到达使用寿命。用“温度系数法”[13]进行计算，一般火炸药样品的温度系数为3~4[14-15]，为稳妥起见取3，则65%RH，常温25℃和20℃下药柱的使用寿命分别为24.2a和41.9a。

3 结 论

（1）药柱湿热老化52d后，、、、和变化率分别为+1.0%、+0.5%、+2.0%、-0.09%和-2.0%；药柱老化后产生了不可逆膨胀，但结构完整性未受到破坏。

（2）老化7d后黏结剂破碎，RDX和Al脱粘，导致降低，力学性能是主要失效模式。

（3）与老化时间有指数关系，以下降20%为药柱失效判据，按温度系数法预测A-IX-II药柱常温25℃和20℃下65%RH环境中药柱的使用寿命分别为24.2a和41.9a。

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Aging Properties of A-IX-II Explosive Charge in the Hydrothermal Environment

JIA Lin, ZHANG Lin-jun, ZHANG Dong-mei, DU Jiao-jiao, WANG Ke-yong

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

The changes of volume, mass, density, bonder and compressive strength were measured, after the Ф20mm× 20mm A-IX-II grains had been storied 52d under the hydrothermal environment conditions of 71℃, 65%RH. The results show that volume, density and mass were changed with the increase of aging time, but the structure integrity of grains were not broken, although the change rates of volume, density and mass were +2.0%, -2.0% and -0.09% respectively after 52d. RDX and Al were de-bond after 7d aging, because bonder was broken in pieces, that cause a reduction in compressive strength. Mechanical property is the main failure mode. There is an index relationship between compressive strength and aging time. If the compressive strength has been 20% lower is the ineffective criterion, the A-IX-II grain’s useful lives estimated at 25℃, 65%RH and 20℃, 65%RH are 24.2 a and 41.9 a respectively by temperature factor method.

Explosive charge；Hydrothermal environment；Aging properties；Bonder；Failure mode

1003-1480（2015）05-0029-04

TQ564

A

2015-05-23

贾林（1970 -），女，高级工程师，主要从事火炸药理化性能和老化性能研究。

国防科技基础研究计划（B0920110005）